高层建筑深基础逆作法施工中的节点处理

高层建筑深基础逆作法施工中的节点处理摘要：逆作法是近年来发展起来的广泛应用于高层建筑深基础施工中的一种新兴的施工工艺。由于采用地下连续墙或排桩作为基坑的支护体系同时也可作为地下结构外墙，采用地下结构的各层楼板作为支护体系的支撑，所以在实际施工过程中支撑桩与柱、支撑柱与梁板、梁板与地墙间的节点处理往往成为施工难题。本文通过工程实例，介绍了多种运用于高层建筑深基础逆作法施工中的节点处理方法，使结构节点变得简单、实用、有效。关键词： 深基础 逆作法 节点处理 1、引言逆作法是近年来发展起来的广泛应用于高层建筑深基础施工中的一种新兴的施工工艺。逆作法是采用地下连续墙或排桩等作为基坑的支护体系，地下连续墙也可作为地下结构的外墙，采用地下结构的各层楼板结构作为支护体系的支撑，使地下结构从上至下的一种反向施工方法。逆作法具有缩短工期，降低造价，减小基坑变形，减小地下结构施工对周边环境的影响等优点。由于采用地下连续墙或排桩作为基坑的支护体系同时也可作为地下结构外墙，采用地下结构的各层楼板作为支护体系的支撑，施工时是在地下自上而下进行，工作环境和施工条件与常规施工方法有着很大的区别，所以在实际施工过程中支撑柱与梁板、梁板与地墙、地墙与底板间的节点处理往往成为施工难题。本文通过工程实例，介绍了多种运用于高层建筑深基础逆作法施工中的节点处理方法，使结构节点变得简单、实用、有效。2、逆作法施工中的节点设计和施工要求逆作法施工的结构节点设计，需要满足下列要求。（1）要求既满足结构永久受荷状态下的设计要求，又要满足施工状态下的受荷要求。即节点设计既要符合结构设计规范的要求，又要满足施工工况受荷条件下的受力要求。（2）节点形式和构造必须在工艺上满足现有的工艺手段与施工能力。即设计的节点是可行的，可操作的，在满足受力前提下愈简单愈好。（3）节点构造必须满足抗渗防水要求，不要因为节点施工降低了抗渗，造成永久性的渗漏。（4）不要影响建筑物的使用功能，如不能占用过大空间等。3、支撑柱与梁板节点设计与施工在逆作施工中，中间支撑柱与梁板节点的设计与施工，主要是解决梁钢筋如何穿过中间支撑柱或与中间支撑柱连接，保证在复合柱完成后，节点质量和内力分布与设计计算简图一致。该节点的设计和施工主要取决于中间支撑柱的结构形式。当中间支撑柱采用采用钢格构柱形式时，中间支撑柱与梁钢筋的连接主要有钻孔钢筋连接法和传力钢板法。钻孔钢筋连接法是在梁钢筋通过中间支撑柱处，于中间支撑柱型钢上钻孔，将梁钢筋穿过，此法的优点是节点简单，柱梁接头混凝土浇筑质量好。缺点是在型钢上钻孔削弱了截面，使承载力降低。传力钢板法，即于搂盖梁受力钢筋接触中间支撑柱的型钢翼缘处，焊上传力钢板，再将梁板受力钢筋焊在传力钢板上，从而达到传力的作用。该法的优点是可以解决钻孔过多导致梁钢筋无法定位穿越的问题，但材料消耗大，施工工艺复杂，传力钢板下面的焊缝施焊困难，浇筑接头混凝土是，钢板下面混凝土的浇筑质量难以保证，需在钢板上钻出气孔等。当中间支撑柱采用钢管混凝土柱时，中间支撑柱与梁板钢筋连接也可采用钻孔钢筋通过或传力钢板法，多以后者为主。采用后者时所采用的形式也很多，常用的有钢牛腿和接驳器两种形式。与现浇钢筋砼结构一样，逆作法施工水平梁板结构与钢管砼柱连接节点同样要传递结构弯距与剪力，要对梁钢筋与钢管的节点进行处理。目前水平混凝土结构梁板与一柱一桩的连接方法基本上沿用二种方法。一种是钢牛腿形式。即在钢管表面焊接钢牛腿，通过钢牛腿连接钢筋与钢管，达到传递弯距与剪力的目的；另一种是剪力板与接驳器形式。钢管表面焊接环型钢板，传递结构剪力。钢筋连接接驳器直接与钢管焊接，传递结构弯矩。目前这二种方法在实际逆作法施工中存在很大的缺陷。一是现场焊接对钢管柱受力的影响。由于焊接钢牛腿或接驳器是在钢管受力状况下进行，焊缝高，焊接融化对钢管受力造成影响。二是影响工期、质量与成本。由于每根钢筋相对应一个钢牛腿或接驳器，地下室配筋量大，节点处理成为影响工期的关键线路，投入的成本也高。现场焊接条件较差，管理难以控制，也成为影响质量的关键。三是影响作业环境。由于为逆作法施工，地下通风条件差，大量焊接废气的产生对作业环境造成很大的危害。所以针对钢管混凝土中间支撑柱与梁的连接节点，一种新型的单柱双梁钢管混凝土组合结构节点也开始在工程中应用，该节点的设计原理是通过双梁节点的设计使节点处理工厂化，达到简化梁板结构与钢管砼柱连接节点的目的。如：由由国际广场工程占地面积三万余平方米，地下两层，挖深最深达17m左右，基坑平面呈不规则的多边形。工程采用裙楼逆作主楼顺作的半逆作法进行施工，围护体系为钻孔灌注桩挡土结合深层搅拌桩止水的复合围护形式，逆作施工时的竖向荷载由一柱一桩形式布置的450450mm钢格构立柱承担。其中间支撑格构柱与框架梁的相交节点处理即采用了钻孔钢筋连接法。由于逆作施工水平结构梁板时，框架梁的钢筋将穿越工程中处于未来框架柱位置的钢格构立柱。同时，由于逆作法利用水平梁板代支撑的原因，逆作区域的框架梁配筋也往往较正常使用区域的框架梁大许多，梁钢筋在直径加大的同时布置得也更加密集。针对该情况，采用了如下的节点处理原则：框架梁钢筋必须按设计要求通长布置或锚入支座，严禁在钢格构柱处直接切断。尽量让框架梁钢筋从格构柱侧面绕过格构柱，在相交节点处可适当对框架梁作加腋处理。当框架梁钢筋因太密集而不能直接绕过格构柱时，可与设计协商，在作适当的补强加固措施后，对格构柱角钢作开孔处理供钢筋穿过。又如：兴业大厦工程位于黄浦区183#地块，占地面积7856.8平方米，主楼部分十九层，高度为82.5米，地下三层，埋深14.00米。地上部分总建筑面积55783平方米，地下部分总建筑面积18889平方米。主体结构为钢筋砼框架剪力墙体系，大楼地下部分采用全逆作法施工，柱为钢管砼柱，底板浇筑前为一柱一桩。围护采用地下连续墙（兼作地下室外墙即二墙合一）。逆作法阶段结构受力为支承桩，主要是指一柱(上部609钢管砼柱)一桩(下部900钻孔灌注桩)，共72根 。对于钢管柱与梁的节点部位的处理为：钢管柱节点处通过钢牛腿连接钢筋。由一个“I”字型牛腿改为上下二个“T”字型牛腿。8根梁钢筋焊接在钢牛腿上，其余从钢管周围穿过。再如：长峰商城位于长宁区地铁2号线中山公园站即长宁路、汇川路、凯旋路合围处。主体结构为一幢10层裙楼和60层（框-剪结构）主楼组成。地下四层单层面积22000 m2,最大开挖深度达24m,且周边紧邻地铁2号线(最近处距离仅1.9m)和明珠轻轨线。裙楼采用框架结构,主楼采用核心桶体结构，38层以下采用550X16、500X12、400X12圆钢管型劲性柱结构，基础形式均采用筏式基础。长峰商城基坑深度分别为主楼19.55m（4000mm 厚底板处）、20.55m(5000mm厚底板处)、21.80m(6250m厚底板处)；裙楼为18.75m、局部电梯井为20.95m。采用钻孔灌注桩，桩径850mm、桩深72.50m。地下室外墙采用800mm（非地铁侧）和1000mm（地铁侧）厚两墙合一的地下连续墙作为围护挡土墙，裙楼利用结构结构梁板、主楼利用结构次梁作为水平支撑，利用550X16的钢管和475X475格构柱的一柱一桩作为逆作竖向承重体系。该工程采用裙楼逆作主楼顺作，待地下室施工完毕后开始上部结构的施工，主楼采取的是以结构次梁为支撑的板带撑支撑形式。该工程即采用了单柱双梁钢管砼组合结构的中间支撑柱与梁的结合节点，其具体做法为：1) 抗剪设计：抗剪设计主要是在钢管柱上焊接222抗剪筋。在加工钢管柱阶段，按照结构梁柱节点标高，工厂焊接剪力环筋及锚固筋。锚固筋先直焊，二头点焊，等施工时弯折90度，满足钢管柱成孔工艺要求。详见下图。2) 抗弯矩设计：抗弯矩设计主要是将结构单梁设计成双梁。将原来设计600*800的梁改成二根300*750的梁，紧靠550钢管侧边通过，保证梁负弯距钢筋在节点处贯通。在钢管工厂加工阶段已完成焊接的锚固筋弯折90锚入梁内，加强梁与钢管的连接强度。该工艺操作方便、安全可靠，节点质量易于受控，一般工人稍加培训即可完成操作。并可提高操作环境安全度、降低成本、加快施工进度的目的。4、地墙与梁板节点的设计与施工地下室楼盖是地下连续墙的可靠支撑，在结构设计中楼盖梁与地下连续墙多按固结考虑，因此该节点的可靠性十分重要，必须设法确保梁端受力钢筋的锚固或连接、梁断面的抗弯和抗剪强度等设计要求。在设计地墙和楼盖梁连接节点时，可根据实际情况，采用刚性接头、铰接接头和不完全刚接接头等形式。若地墙与结构梁板在接头处共同承受较大弯矩，且两种构件抗弯刚度相近，同时板厚足以允许配置确保刚性连接的钢筋时，地墙与结构梁板的连接宜采用刚性接头，常用的连接方式主要有预埋钢筋接驳器连接和预埋钢筋连接等形式。若结构板相对于地墙厚度来说较小，接头处板所承受的弯矩较小，可以认为该节点不承受弯矩，仅起竖向支座作用，此时可采用铰接接头，常用的连接方式主要有预埋钢筋连接和预埋剪力连接件等形式。地下室楼板和地下连续墙的连接通常采用预埋钢筋形式，也可以通过边梁与地下连续墙连接，楼板钢筋进入边环梁，边环梁通过地下连续墙内预埋钢筋的弯出和地墙连接。若结构板与地墙厚度相差较小，可在板内布置一定数量的钢筋，以承受一定的弯矩，但在板筋不能配置很多以形成刚性连接时，宜采用不完全刚接形式。地墙与梁板的连接节点形式有如下几种：（1）预埋连接钢筋法：在施工地墙时，在墙内于楼盖梁的标高处预埋连接钢筋并加以弯折，待下插地墙钢筋笼和浇筑地墙后。当基坑挖土至楼盖梁标高处时，将预埋连接钢筋再反弯扳直到位，与梁扳内受力钢筋加以焊接。此法构造简单，施工方便，但缺点是堆直径较大的钢筋扳直困难且如果扳出的连接钢筋不直，会使连接困难并产生初始应力。（2）预埋连接钢板法：在施工地下连续墙时，在墙内于楼盖梁的标高处预埋钢板（钢板与墙内受力钢筋焊接），待挖土至楼盖梁标高处时，先绑扎楼盖梁钢筋，将梁内受力钢筋与墙内预埋钢板焊接，形成接头。此法的优点是施工方便，接头受力性能较好。但电焊质量要求高，技术性强；现场焊接量大，有时影响进度。(3)预埋剪力连接件法：剪力连接钢筋亦在楼盖梁标高处预埋于地下连接墙内，并加以弯折。待挖土至楼盖梁标高处时加以反弯，使之露出墙面，然后浇筑于楼盖梁内。此法的优点是接头抗剪性能好，施工方便，缺点是大直径钢筋弯折和反弯折较困难。如用火烘后弯折，会影响钢筋物理力学性能。对抗弯构件尚需增配抗弯的预埋钢筋，这些钢筋在施工过程中亦需弯折。（）齿形连接接头法：在地下连续墙钢筋骨架上，于楼盖梁标高处固定带剪力槽的钢板和预埋连接钢筋，挖出来后，将预埋连接钢筋与楼盖梁内受力钢筋焊接，梁混凝土浇筑后形成齿槽接头。此法连接的优点是接头抗剪性能好，连接钢筋施工质量可以保证。因此接头的抗剪、抗弯性能良好。缺点是带剪力槽钢板的位置要求预埋的很准确，施工难度较大；现场焊接工作量较大。（）锥螺纹钢筋连接接头法：在地下连续墙外侧钢筋外面设8mm900mm100mm的钢锚板，在地下连续墙内侧面处设锥螺纹钢筋连接接头，另在连接接头中部设牛腿。挖土至该标高后用锥螺纹与梁内受力钢筋连接。此法施工简单，锥螺纹钢筋接头施工速度快，且不受气候影响。而钢牛腿能良好的承受梁端传来的剪力。此法的缺点是锥螺纹钢筋接头定位要求较高，需采取措施将其固定正确与牢固。如：在长峰商城工程中，地下B1、B2、B3层采用300X800的周边梁与地墙连接，地墙预留12200双排筋，待梁板施工时候剥出钢筋，弯起焊接成边梁封闭箍筋，具体详见下图。在兴业大厦工程中，地墙与地下结构梁板的连接也是采用这种方法：地下连续墙两墙合一，在内侧500mm处砌筑240厚内衬墙，内设排水沟。地下室连续墙在每层标高部位预埋圆钢，施工此层楼板时，将圆钢弯直，四周设置一道圈梁，楼层梁板通过圈梁与连续墙连接。又如：在由由广场工程中，在框架梁边跨处设计了一道围护边梁，围护边梁与外墙之间尚有2m4m的距离。逆作施工阶段，围护边梁通过H400型钢支撑与各道围檩相连接以传递水平支撑力，相应的框架梁则在围护边梁处预留通长插筋。逆作施工结束并转向顺作后，首先在H400型钢支撑上焊接止水钢板，以保证地下水在基坑换撑、回填后不会通过型钢与外墙的交界面渗入室内；随后即可开始框架梁、外墙、暗柱钢筋的接驳、绑扎工作。由于框架梁处一般都有H400型钢水平支撑存在，因此，当框架梁截面小于型钢截面时，可在征得设计许可的前提下，对型钢翼缘作部分割除处理，最终使框架梁能包覆住型钢支撑；此外，外墙钢筋及暗柱钢筋也常需穿越型钢支撑，同样可在征得设计许可的前提下，对型钢翼缘和腹板作适当开孔处理以方便竖向钢筋穿过。5、地墙与底板节点的设计与施工地下连续墙与地下室底板的连接节点需要满足两个要求：使地下室底板与地下连续墙连成整体，与设计假定的刚性节点一致。使地下室底板与地下连续墙连接紧密，达到防水的要求。通常为保证连接质量，应沿地下连续墙四周将地下室底板进行加强处理，加配一些钢筋。在底板与地下连续墙接触处设止水条，增强防水能力。有时可在连接处设剪力键增强抗剪能力。当排桩支护作为围护结构时，可将主体结构的底板和楼板插入桩体内，这在施工挖孔桩到底板或楼板标高时，先将钢筋预先插